撰文｜周奕彤

一座城市的建造需要數十年甚至數百年，而一場地震的到來，卻只需短短几分鐘，就讓熟悉的城市面目全非，讓無數人的生活甚至生命永遠改變。

目前，地震預報仍是世界性難題。如果下一場地震來臨，我們真的束手無策嗎？

從抗震設防到地震預警（地震發生後第一時間的預警），人們已經做了很多工作。清華大學土木工程系防災減災工程研究所與北京科技大學未來城市學院合作，則構造出城市的“數字雙胞胎”，希望幫助城市“預演”地震等災害。

他們的"數字孿生城市技術研究”，在國內外上百次真實地震中做了應急評估驗證，“精度顯著優於已有方法”。例如，2017年九寨溝7.0級地震發生後，研究團隊利用數字模型評估了當地建築倒塌概率，與官方最終公佈的房屋倒塌率高度吻合。

他們的模型還可進一步用於推演那些尚未發生的地震，比如北 川新縣城在強震之下可能出現的震害，比如一座超大城市副中心地震次生火災的防範，等等。

這一次，地震不必發生在現實世界。

01 數字孿生技術下的城市預演

北京科技大學未來城市學院田源教授告訴《知識分子》，當下數字孿生技術在一定程度上能夠在虛擬世界中構建與現實城市對應的用於災害分析的數字模型，將建築、橋樑以及城市基礎設施納入其中，並通過地震場景的模擬推演，識別城市運行中的潛在薄弱環節，爲現實中的防災減災提供參考。

一場“賽博地震”從斷層破裂開始，研究人員利用物理模型模擬斷層破裂和地震波傳播，計算地震波抵達城市不同區域後形成的地面運動，即地震動。

地震動是連接震源與城市震害的關鍵。將完整的地震動過程輸入城市結構動力學模型，即可開展城市級非線性時程分析。

不同於只判斷建築“倒不倒”的二元化判定，非線性時程分析可進一步模擬建築在地震發展過程中發生的變形、振動和損傷及其隨時間的變化，從而判斷不同建築和基礎設施可能受到的影響。

當供水、供電、通信等基礎設施的更多數據納入GIS（地理信息系統），單體結構的分析便可以擴展至城市尺度，並結合人口分佈測算人員傷亡、經濟損失和城市功能受影響的程度。

一座城市的抗震韌性評估，關注的不只是建築是否倒塌，還包括交通、供水、供電、通信和醫療等城市功能在地震後的維持與恢復能力。

這些結果還可進一步用於人員疏散和災後救援的提前”演練“，在數字空間中反覆推演人員逃生和救援過程，發現潛在問題，及時調整疏散和救援預案。

02 城市預演模擬精度如何？

清華大學土木工程系教授、“科學探索獎”獲獎人陸新徵告訴《知識分子》，“爲了驗證城市抗震彈塑性分析方法的準確性和可靠性，我們在地震發生後利用模型完成災害評估，再將評估結果與震後實際調查結果進行比對。”

2017年8月8日九寨溝7.0級地震便是其中一個典型案例。

項目團隊利用數字模型評估當地建築倒塌情況，結果顯示大規模建築倒塌的概率較低。而震害實際調查顯示，當地7萬餘棟建築受到不同程度損壞，最終倒塌的僅有76棟，倒塌率約爲千分之一，與模型預測結果高度吻合。

經過真實地震的驗證，模型還可以進一步用於推演那些尚未發生的地震。

數百年前（1679年），三河-平谷地區曾發生過震中位於大廠縣夏墊鎮的8級地震，爲北京周邊歷史記載的最大地震。如果強震再次發生，今天的城市會面臨什麼？

傳統震害分析更多關注建築本身，但現代城市早已由大量基礎設施和網絡系統共同支撐。

以城市交通線爲例，研究團隊將三河-平谷地震情景作爲背景，城市地鐵線路、車站和客流等數據納入模擬，重點分析地震導致地鐵停運後，車站和線路中的人員可能如何滯留，以及後續的疏散和逃生過程。

類似的推演同樣被用於北川新縣城，以及其他城市。

2008年汶川地震後，北川縣城在附近區域重新建設。汶 川地震十週年之際，研究團隊重新評估新縣城在類似強震下可能出現的震害，並進一步推測城市恢復所需的時間，爲相關部門開展防災規劃提供參考。

03 從地震預演走向災害防控

陸新徵教授介紹，“我們提出的城市抗震彈塑性分析方法，是把完整的地震動過程輸入到精細化的城市結構動力學模型中，模擬建築在地震中的全過程響應。”

這裏的彈塑性分析，是指讓模型儘可能真實展現建築在地震來臨時的受力過程。與傳統以烈度等指標估算震害的方法相比，城市抗震彈塑性分析保留了地震作用下的完整動力行爲過程，也儘可能保留建築本身的結構特徵。因此，模擬結果不再只是一個區域性的風險判斷，而是可進一步落實到具體建築及城市設施的方案。

但要讓數字孿生真正成爲城市防災的實時系統，仍有不少問題需要解決。

“首先現實世界每一棟建築、每一個實體，它的實時狀態反映到數字世界，本身就是一個難點。”田源表示。當前的數字孿生成熟度仍有很大提升空間。

建築老化、道路變化、人口流動等現實變化，都需要及時更新到數字模型中。與此同時，如何將數字空間中的分析結果進一步反饋到現實決策，也仍需完善。

未來，數字孿生有望進一步結合城市感知、實時數據、人工智能和高性能計算等技術，讓城市狀態持續更新，災害情景快速生成，風險評估也能及時反饋到防災決策中。

這種思路也並不侷限於地震。洪水、滑坡、火災等災害同樣具有明確的演化過程，只要能夠建立相應的物理模型和城市數據體系，就可以將災害預演的方法延伸到更多場景。

對於地震而言，這種技術要解決的並不是“預測下一場地震什麼時候發生”，而是提前預演地震發生後的城市響應，把一次無法避免的災害，儘可能轉化爲可以提前應對的風險。